Đồ án Điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet

1 MỤC LỤC Lời Cảm ơn 5 Lời mở đầu 6 Mục tiêu đề tài 7 Nhiệm vụ của đề tài 7 Chương 1: Tổng quan về Ethernet 8 1.1. Cấu trúc khung tin Ethernet 8 1.1. Cấu trúc địa chỉ Ethernet 11 1.2. Đặc tính điện 11 1.3. Các loại khung Ethernet 12 1.3.1. Các loại khung uniscat 12 1.3.2. Các khung broadcast 13 1.3.3. Các khung Multicast 13 1.4. Truy cập bus 13 1.5. Các loại Ethernet 15 1.5.1. Các hệ thống Ethernet 10Mb/s 15 1.5.2. Các hệ thống Ethernet tốc độ 100Mb/s 16 1.5.3. Các hệ thống Giga Ethernet 16 Chương 2: Họ giao thức TCP/IP 18 2.1. Họ giao thức TCP/IP 18 2.1.1. Tầng ứng dụng ( Application layer) 20 2.1.2. Tầng giao vận(Transport layer) 21 2.1.3. Tầng mạng( internet layer) 22 2.1.4. Lớp liên mạng (Network Interface Layer) 22 2.2. Cấu trúc gói tin IP, TCP,ARP,UDP 23 2.2.1. Cấu trúc địa chỉ IP 23 2.2.2. Cấu trúc gói tin IP 24 2.2.3. Cấu trúc gói tin TCP 26 2.2.4. Cấu trúc gói tin ARP (Adrees Resolution Protocol) 27 2 2.2.5. Cấu trúc gói tin UDP 31 2.2.6. Giao thức điều khiển truyền tin – ICMP (Internet Control Message Protocol) 31 Chương 3: Phần cứng 33 3.1. Vi điều khiển PIC 33 3.1.1. Giới thiệu về vi điều khiển PIC 33 3.1.2. Một số ưu điểm của Microchip PIC 35 3.1.3. Vi điều khiển PIC18F4550 36 3.3. Cảm biến nhiệt độ LM35 47 3.4. Module Ethernet ENC28J60 và chuẩn giao tiếp SPI 49 3.4.1. Vi Mạch Ethernet ENC28j60 49 3.4.2. Sơ đồ chân và sơ đồ khối của ENC28j60 50 3.4.3. Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28j60 51 3.4.4. Module Ethernet 52 3.4.5. Chuẩn truyền thông SPI 52 3.5. Text LCD 57 3.5.1. Cấu trúc Text LCD 57 3.5.2. Sơ đồ chân 58 3.5.3. Điều khiển hiển thị 60 3.5.4. Mạch RJ14 62 Chương 4: Trình biên dịch CCS và webserver 63 4.1. Trình dịch CCS (PIC C Compiler) 63 4.1.1. Vì sao ta sử dụng CCS 63 4.1.2. Giới thiệu về CCS 63 4.1.3. Tạo PROJECT đầu tiên trong CCS 64 4.2. Web động 74 4.3. CSS 74 4.3.1. Ưu điểm của CSS 75 4.3.2. Các đặc tính cơ bản của CSS 75 3 4.3.3. CSS có tính kế thừa và kết hợp 77 Chương 5: Sơ đồ khối và mô phỏng 79 5.1. Sơ đồ khối 79 5.2. Mạch nguyên lý 80 5.2.1. Khối nguồn 81 5.2.2. Khối công suất (RELAY) 81 5.2.3. Khối hiển thị (LCD 16x2) 82 5.2.4. Khối Key điều khiển đèn (Nút nhấn) 82 5.2.5. Khối đo nhiệt độ và Header giao tiếp với Module Ethernet 83 5.2.6. Khối reset, Xung thạch anh, Lọc nguồn 183 5.2.7. Khối Vi xử lý trung tâm (Pic 18F4550) 84 5.3. Mô Phỏng 85 KẾT LUẬN 86 Tài liệu tham khảo: 87 4 HÌNH ẢNH: Hình 1. 1: Mã hóa Manchester 12 Hình 1. 2: Mô hình truyền thông unicast 13 Hình 1. 3: Minh họa phương pháp CSMA/CD 14 Hình 2. 1: Kiến trúc TCP/IP 19 Hình 2. 2: Quá trình đóng/mở gói dữ liệu trong TCP/IP 20 Hình 2. 3: Cấu trúc dữ liệu trong TCP/IP 20 Hình 2. 4: tổ chức địa chỉ IP 24 Hình 2. 5: Mô tả đường truyền dữ liệu ARP 28 Hình 3. 1: Hình thực tế của PIC18F4550 36 Hình 3. 2: sơ đồ chân của PIC18F4550 38 Hình 3. 3: Sơ đồ chân của LM35 48 Hình 3. 4: Sơ đồ chân ENC28J60 50 Hình 3. 5: Sơ đồ khối ENC28J60 50 Hình 3. 6: Sơ đồ ghép nối vi điều khiển với ENC28j60 51 Hình 3. 7 : Sơ đồ nguyên lý Module Ethernet 51 Hình 3. 8: Module Ethernet thực tế 52 Hình 3. 9: SPI giữa một chip Master và 3 chip Slave thông qua 4 đường 54 Hình 3. 10: Quá trình truyền 1 gói dữ liệu thực hiện bởi module SPI 55 Hình 3. 11: Quá trình đọc thanh ghi điều khiển Ethernet 55 Hình 3. 12: Quá trình đọc thanh ghi điều khiển MAC 56 Hình 3. 13: Quá trình ghi vào thanh ghi lệnh 56 Hình 3. 14: Quá trình ghi vào bộ đệm lệnh 56 Hình 3. 15: Quá trình ghi vào lệnh của hệ thống 57 Hình 3. 16: Text LCD 16x2 58 Hình 3. 17: kết nối Text LCD với Vi điều khiển 60 Hình 3. 18: Hoạt động của chân RS 61 Hình 3. 19: Sở đồ khối của HR911105A 62 Hình 4. 1: Giao diện chương trình CCS 64 Hình 4. 2: Tạo file mới trong PCW compiler 65 Hình 4. 3: Bảng hỗ trợ chức năng cho PIC 66 Hình 4. 4: Tab General 67 Hình 4. 5: Tab Communications 68 5 Hình 4. 6: Tab SPI 69 Hình 4. 7: Tab LCD 69 Hình 4. 8: Tab Timer 70 Hình 4. 9: Tab Analog 71 Hình 4. 10: Tab Driver và Tab Interrupt 72 Hình 4. 11: Tab Other 73 Hình 4. 12: web sever 78 Hình 5. 1: Sơ đồ khối giao tiếp của mạch 80 Hình 5. 2: Mạch nguyên lý 81 Hình 5. 3: Khối nguồn 82 Hình 5. 4: khối công suất (relay 5 chân 12v DC/ 240v AC) 82 Hình 5. 5: khối hiển thị (LCD 16x2) 83 Hình 5. 6: Khối Nút nhấn 83 Hình 5. 7: LM35(nhiết độ) & Header kết nối với Module Ethernet 84 Hình 5. 8: a:xung thạch anh 84 Hình 5. 9: Khối xử lý dùng vi điều khiển PIC18F4550 85 Hình 5. 10: Mô phỏng 86 6 BẢNG: Bảng 1. 1: Cấu trúc khung MAC theo IEEE 802.3/ Ethernet 11 Bảng 2. 1: Mô tả gói thông tin ARP 29 Bảng 2. 2: Khung dữ liệu ARP 30 Bảng 2. 3: Cấu trúc gói ICMP 32 Bảng 3. 1: Bảng chức năng chân của PIC18F4550 38 Bảng 3. 2: Bảng chức năng chân của PORTA 39 Bảng 3. 3: Bảng chức năng chân của PORTB 41 Bảng 3. 4: Bảng chức năng chân của PORTC 43 Bảng 3. 5: Bảng chức năng chân của PORTD 44 Bảng 3. 6: Bảng chức năng chân của PORTE 46 Bảng 3. 7: Chức năng chân của LCD 58 7 Lời Cảm ơn Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô trong khoa Điện – Điện Tử, nhất là quý Thầy cô thuộc bộ môn Điện Tử Viễn Thông đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho người thực hiện đồ án trong thời gian vừa qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới cô Vũ Thị Thu Hương vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho em để có thể thực hiện và hoàn thành tốt đề tài này. Em cũng không quên cảm ơn các bạn trong lớp đã trao đổi, góp ý để em hoàn thành đề tài này một cách tốt đẹp và đúng thời gian. Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót… Rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên. 8 Lời mở đầu Trong thời đại công nghiệp hoá hiện đại hoá như hiện nay. Việc phát minh và chế tạo ra các thiết bị thông minh có khả năng điều khiểu từ xa đang và sẽ rất được quan tâm và rất hữu ích cho cuộc sống hằng ngày. Vì mục tiêu công nghệ hiện đại hoá ngày càng phát triển, tôi đã quyết định làm một đồ án về điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet. Khi dự án hoàn thành chúng ta có thể điều khiểu các thiết điện trong nhà thông qua mạng internet, tương tác bằng tay qua nút nhấn, kiểm soát nhiệt độ phòng; hiển thị trạng thái hoạt động của các thiết bị trên LCD…. Dù chúng ta ở bất cứ nơi nào có mạng internet đều có thể điều khiển được các thiết bị đã kết nối với module điều khiển ethernet. Khi dự án thành công và được áp dụng rộng rãi thì sẽ rất hữu ích cho đời sống hằng ngày. Giúp cho đất nước ngày càng phát triển. Giáo Viên Hướng Dẫn Người Thực Hiện Vũ Thị Thu Hương Nguyễn Văn Vượng - 0541050263 9 Mục tiêu đề tài  Thực hiện giao tiếp mạng giữa phần cứng mạch điện tử với máy tính qua mạng Ethernet.  Điều khiển hoạt động của các thiết bị (trong đề tài là 3 đền LED tượng trưng cho 3 thiết bị), dưới sự điều khiển và giám sát của con người.  Giám sát nhiệt độ thông qua cảm biến nhiệt LM35. Nhiệm vụ của đề tài Để có thể đạt được mục tiêu đề ra, người thực hiện đề tài đã đưa ra những nhiệm vụ cần phải thực hiện:  Nghiên cứu vi điều khiển PIC18f4550 và trình biên dịch CCS (PIC C Compiler).  Lý thuyết mạng Ethernet và cách thức truyền nhận dữ liệu  Nghiên cứ chuẩn giao tiếp SPI và ứng dụng thực tế trên module Ethernet ENC28J60  Tìm hiểu ngôn ngữ html và CSS trong lập trình giao diện web  Tính toán, thiết kế và thi công phần cứng mạch điện tử (mô phỏng)  Xây dựng thuật toán và viết code cho ứng dụng dựa theo mục tiêu đã đề ra. 10 Chương 1: Tổng quan về Ethernet ETHERNET là kiểu mạng cục bộ (LAN) được sử dụng rộng rãi hiện nay. Hiện thời Ethernet thường được sử dụng nhiều nhất là cáp đôi xoắn 10Mbps. Ethernet được phát minh ra tại trung tâm nghiên cứu Xerox Palo Alto vào những năm 70 của tiến sỹ Robert M.Metcalfe. Nó được thiết kế bởi mục đích phục vụ nghiên cứu trong “hệ thống công sở trong tương lai”, bao gồm trạm cá nhân đầu tiên trong thế giới, trạm Xerox Alto. Trạm Ethernet đầu tiên chạy với tốc độ xấp xỉ 3Mbps. Chuẩn Ethernet 10Mbps đầu tiên được xuất bản vào năm 1980 với sự phối hợp phát triển của 3 hãng DEC, Intel, Xerox. Chuẩn này có tên Dix Ethernetn (lấy tên theo 3 chữ cái đầu tiên của các hãng) Ủy ban 802.3 của IEEE đã lấy Dix Ethernet làm nền tảng để phát triển, năm 1985 chuẩn 802.3 đầu tiên được ra đời với tên IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple access with Collition Detection (CSAM/CD). Mặt dù không sử dụng Ethernet nhưng hầu hết mọi người đều hiểu đó là phần chuẩn của công nghệ Ethernet.Ngày nay chuẩn IEEE 802.3 là chuẩn chính thức của Ethernet.IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhìu loại mạng Ethernet khác nhau. Đặc biệt với phiên bản 100 Mbit/s (fast Ethernet, IEEE 802.3u), Ethernet ngày càng đóng vai trò trong hệ thống công nghiệp, bên cạnh việc sử dụng cáp đồng trục, đôi dây xoắn và cáp quang, gần đây Ethernet không dây (Wirless LAN, IEEE 802.11) đang thu hút sự quan tâm rất lớn. 1.1. Cấu trúc khung tin Ethernet Các chuẩn Ethernet đều hoạt động ở tầng Data link trong mô hình 7 lớp OSI vì thế đơn vị dữ liệu mà các trạm trao đổi với nhau là các khung (famer) . Cấu trúc khung Ethernet như sau: [...]... truyền dữ liệu, hoặc tầng liên mạng (Network Interface Layer) sẽ lấy dữ liệu từ mạng và gửi nó tới lớp mạng (Internet) nếu chúng ta nhận dữ liệu Tầng này bao gồm các thiết bị giao tiếp mạng (Card Mạng và Cáp Mạng) và chương trình cung cấp các thông tin cần thiết để có thể hoạt động, truy nhập đường truyền vật lý qua thiết bị giao tiếp mạng đó Như đã đề cập ở phần trên, Ethernet là giao thức cấp dưới... Protocol): có chức năng điều khiển truyền đa hướng (multicast) 2.1.4 Lớp liên mạng (Network Interface Layer) Tầng giao tiếp mạng liên quan đến việc trao đổi dữ liệu giữa hai trạm thiết bị trong cùng một mạng Các chức năng bao gồm việc kiểm soát truy nhập môi trường truyền dẫn, kiểm soát lỗi và lưu thông dữ liệu Datagram được tạo bởi từ lớp mạng (Internet) sẽ được gửi xuống tới lớp liên mạng (Network Interface... là dành cho họ Ethernet, Token Ring, mạng LAN không dây, cá mạng LAN dùng bridge và bridge ảo (Bridging and Virtual Bridged LANs) Chuẩn dành cho họ Ethernet là chuẩn IEEE 802.3 Chương 2: Họ giao thức TCP/IP 2.1 Họ giao thức TCP/IP TCP/IP là bộ giao thức cho phép kết nối các hệ thống mạng không đồng nhất với nhau.TCP/IP là tên viết tắt của Transmission Control Protocol (giao thức điều khiển truyền thông)/Internet... dụng để đánh địa chỉ máy trong mạng Có 126 địa chỉ lớp A (được đánh địa chỉ trong byte thứ nhất) với số máy tính trong mạng là 2563-2= 16.777.214 máy cho mỗi một địa chỉ lớp A (sử dụng 3 bytes để đánh địa chỉ máy) - Địa chỉ lớp B: Một địa chỉ lớp B được nhận ra bởi 2 bít đầu tiên của byte thứ nhất mang giá trị 10 Lớp B sử dụng 2 bít đầu tiên của byte để đánh địa chỉ mạng và 2 byte cuối để đánh địa chỉ... byte để đánh địa chỉ mạng và 2 byte cuối để đánh địa chỉ máy trong mạng Có 64*256 -2 = 16.128 địa chỉ mạng lớp B với 65.534 máy cho mỗi môt địa chỉ mạng lớp B - Địa chỉ lớp C: một địa chỉ lớp C được nhận ra với 3 bít đầu mang giá trị 110 Mạng lớp C sử dụng 3 byte đầu để đánh địa chỉ mạng và một byte cuối để đánh địa chỉ máy tính có trong mạng Có 2.079.125-2 địa chỉ lớp C, mỗi địa chỉ lớp C có 254 máy... ngoại vi nối tiếp đồng bộ/Không đồng bộ USART, AUSART, EUSARTs Bộ chuyển đổi ADC Analog –to-digital converters , 10/12bit Bộ so sánh điện áp (Voltage Comparators) Các module Capture/Compare/PWM LCD MSSP peripheral dung cho giao tiếp I2C, SPI, I2S Bộ nhớ nội EEPROM –có thể ghi/xóa lên tới 1 triệu lần Module điều khiển động cơ, đọc encoder Hỗ trợ giao tiếp USB 35 Hỗ trợ điều khiển Ethernet Hỗ trợ... gửi thư đơn giản - TELNET: là chương trình mô phỏng thiết bị đầu cuối cho phép người dùng thiết bị login vào một máy chủ từ một máy tính nào đó trên mạng - Tầng ứng dụng trao đổi dữ liệu với lớp dưới (lớp vận chuyển) qua cổng việc dùng cổng bằng số cho phép giao thức của lớp vận chuyển biết loại nội dung nào chứa bên trong gói dữ liệu Những cổng được đánh bằng số và những ứng dụng chuẩn thừơng được dùng... Phần cứng 3.1 Vi điều khiển PIC 3.1.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC PIC là một họ vi điều khiển theo kiến trúc Havard được sản xuất bởi công ty Microchip Techonology 3.1.1.1 Lịch sử phát triển Năm 1965 hãng Genneral Instrument thành lập ban vi điện tử nhằm tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo bộ nhớ EPROM và EEPROM , đó là các linh kiện thu hút nhiều đầu tư của các phòng thí nghiệm bán dẫn.Đầu những... Genneral Instrument thiết keess vi mạch điều khiển giao tiếp ngoại vi (Peripheral interface controler) viêt tắt là PIC, đó là linh kiện hỗ trợ các tính năng vào ra do đó bộ mã lệnh của nó khá nhỏ gọn Những vi điều khiển PIC đầu tiên có điểm yếu là chế tạo theo công nghệ n-MOS nên tiêu thụ nhiều năng lượng, bộ nhớ chương trình là loại ROM mặt nạ chỉ nạp được một lần, do đó chương trình điều khiển được nạp... liệu định kỳ, thời gian thực 1.5 Các loại Ethernet IEEE đã phát triển chuẩn Ethernet trên nhiều công nghệ truyền dẫn khác nhau vì thế có nhiều loại Ethernet Mỗi loại mạng mô tả dựa theo 3 yếu tố: tốc độ, phương thức tín hiệu sử dụng và đặc tính đường truyền vật lý 1.5.1 Các hệ thống Ethernet 10 Mb/s - 10base5 Đây là tiêu chuẩn Ethernet đầu tiên, dựa trên cáp đồng trục loại dày Tốc độ đạt được 10 Mb/s, . quyết định làm một đồ án về điều khiển thiết bị qua mạng Ethernet. Khi dự án hoàn thành chúng ta có thể điều khiểu các thiết điện trong nhà thông qua mạng internet, tương tác bằng tay qua nút nhấn,. giao tiếp mạng giữa phần cứng mạch điện tử với máy tính qua mạng Ethernet.  Điều khiển hoạt động của các thiết bị (trong đề tài là 3 đền LED tượng trưng cho 3 thiết bị) , dưới sự điều khiển và. hoạt động của các thiết bị trên LCD…. Dù chúng ta ở bất cứ nơi nào có mạng internet đều có thể điều khiển được các thiết bị đã kết nối với module điều khiển ethernet. Khi dự án thành công và được